持力层为白垩～古近纪中风化泥质粉砂岩单桩竖向承载力性状研究

持力层为白垩～古近纪中风化泥质粉砂岩单桩竖向承载力性状研究

张恒

武汉综合交通研究院有限公司, 湖北 武汉430074

摘 要：白垩～古近纪中风化泥质粉砂岩为半成岩，饱和单轴抗压强度标准值frk变化范围大，当桩基持力层为该层时，在什么情况下按照嵌岩桩计算才更为经济合理。现通过一个工程实例，结合自平衡桩基承载力测试结果，经过对比分析，得出如下结论：1）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≥4MPa时，来自桩端的阻力占比在25%以上，基桩按嵌岩桩计算更合理些；2）当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≤4MPa时，来自桩端的阻力占比较小，基桩按摩擦桩计算更合理些。

关键词：中风化泥质粉砂岩；摩擦桩；嵌岩桩；自平衡测试

0引言

在我国中部地区，桥梁基桩的持力层经常会遇到白垩～古近纪泥质粉砂岩。该岩层为半成岩，其饱和单轴抗压强度标准值frk变化范围大，frk最低取值不足1MPa、最高可以达到7MPa以上。同一钻孔内，其饱和单轴抗压强度标准值也变化频繁，且无规律可循。

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG 3363—2019)，当岩石饱和单轴抗压强度标准值frk小于2MPa 时按摩擦桩计算[1]；但是在实际设计过程中，由于白垩～古近纪泥质粉砂岩饱和单轴抗压强度变化范围大，难以精确取值计算，所以在饱和单轴抗压强度标准值frk小于5MPa 时均按摩擦桩计算，这就对工程项目造成了一定程度的浪费。同时也对桥梁桩基设计带来了一定的困扰[2,3,4]，在岩石饱和单轴抗压强度标准值frk为多少时，按照嵌岩桩计算单桩竖向承载力更合适一些？

本文以湖北省武汉市双柳长江大桥接线段桥梁桩基作为研究对象，接线段桥梁桩基大部分嵌入白垩～古近纪中风化泥质粉砂岩中。考虑工程所处场地，采用自平衡技术进行桩基承载力测试[5]，分析了该类桩基的荷载传递机理，研究结果对正确估计此类嵌岩桩桩基承载力、优化设计、节约工程造价等都具有实际意义。

1工程地质及试桩情况

新港高速公路双柳长江大桥接线工程，正线设计均为桥梁，采用双向6车道高速公路技术标准，全线设计速度120公里/小时，桥面净宽2×15.7m，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。桩顶反力由上部结构产生的反力和下部结构产生的反力共同组成，主线一般路段桥梁桩顶反力为8500kN。

本项目接线段试桩记为SZ1、SZ2、SZ3，其地质情况如表1所示。

表1试桩地质分层一览表

试桩SZ1、SZ2、SZ3桩身钢筋计布置和荷载箱位置如图1所示。

图1试桩桩身钢筋计布置和荷载箱位置示意图

从图1中可以看出 SZ1、SZ2、SZ3试桩大部分桩端嵌入中～强风化泥质粉砂岩中，桩周岩石饱和单轴抗压强度分别为：1.21MPa、2.57 MPa、3.65 MPa，试桩具体参数如表2所示。

表2试桩参数

试验按《基桩静载试验自平衡法》（JT/T738-2009）进行，各分 16 级加载，其中第一级加载量取分级荷载的 2 倍，第 17 级开始卸载。加、卸载均匀连续，每级荷载在维持过程中的变化幅度不超过分级荷载的10%。

SZ1桩加载至15级（对应加载值为2×13600kN）时，荷载箱上段位移50.70mm，下段位移12.17mm，荷载箱上段位移量大于前一级荷载的位移量的5倍，且总位移量大于40mm，荷载箱上段Q-s曲线出现明显陡变；SZ2桩加载至15级（对应加载值为2×13600kN）时，荷载箱上段位移53.77mm，下段位移16.97mm，荷载箱上段位移量大于前一级荷载的位移量的5倍，且总位移量大于40mm，荷载箱上段Q-s曲线出现明显陡变；SZ3桩加载至15级（对应加载值为2×13936kN）时，荷载箱上段位移49.86mm，下段位移12.27mm，荷载箱上段位移量大于前一级荷载的位移量的5倍，且总位移量大于40mm，荷载箱上段Q-s曲线出现明显陡变。

2试桩结果分析

2.1 加载---位移数据曲线分析

从Q-s 曲线形状上看，加载--位移曲线平滑，在施加荷载前期曲线呈直线状，说明桩侧、桩端岩土体处于弹性阶段；在施加荷载后期，曲线发生微曲，桩侧岩土体开始进入弹塑性阶段；在荷载达到最大值时，荷载箱以上桩段位移出现明显陡增趋势，说明荷载箱以上桩段桩侧周围土体已经达到极限破坏状态，而荷载箱以下桩段加载---位移曲线依然平缓，说明荷载箱以下桩段周围土体仍处于弹塑性阶段没有达到极限破坏状态。从整体来说桩基在最大试验荷载下仍处于弹塑性阶段，加载---位移曲线形式属于缓变型。

图2加载---位移曲线

2.2侧摩阻力---位移曲线分析

图3桩侧摩阻力---位移曲线

通过桩侧摩阻力---位移曲线可以看出：靠近加载位置的桩段侧摩阻力首先发挥作用，随着荷载的增加桩身侧摩阻力从荷载施加位置依次发展，最终全桩各段侧摩阻力达到极限值。荷载较小时，荷载箱上部桩段桩顶附近的桩侧摩阻力较小；随着荷载的不断增大，桩侧摩阻力从近荷载箱位置向两端发展；当荷载达到加载最大值时，除荷载箱下部桩段外，各桩段桩侧摩阻力达到极限值。

在荷载施加过程中，随着位移的增加，试桩荷载箱上部桩段各段侧摩阻力都达到极限值，而荷载箱下部桩段各段单位侧摩阻力没有出现平缓趋势，基本都处于弹塑性阶段；对于同一岩层中各桩段随着与加载点距离的增加，其各桩段单位侧摩阻力极限值相应减小。

2.3桩端阻力---位移曲线分析

图4桩端阻力---桩端位移曲线

通过桩端---桩端位移曲线分析可以看出：试桩桩端阻力与位移关系曲线基本呈线性分布，说明桩端岩体仍处于弹性阶段，这主要因为自平衡方法在上桩段达到极限时无法再对下桩段进行加载，因此不能得到桩端岩体进入塑性的曲线，因此在试验荷载作用下桩端并没有达到塑性破坏。桩端阻力占总荷载的比例如表3所示。在极限荷载作用下，随着桩周岩石饱和单轴抗压强度增加，桩端阻力占总荷载的比例也在增加；在极限荷载条件下，试桩桩端阻力占总荷载分别为13.37%、19.12%、24.69%。从图4中可以看出，在测试桩上部桩段达到极限破坏状态时，桩端荷载位移曲线没有出现明显陡变，说明此时桩段并没有达到极限值，因此，实际情况下桩端阻力也发挥了一定的作用，而且随着桩周岩石饱和单轴抗压强度增加，桩端阻力的比例也在增加。

表3侧摩阻力、端阻力荷载分担比例一览表

虽然SZ3桩周岩石饱和单轴抗压强度分别为3.65 MPa＜4MPa，桩端阻力的比例已接近25%，更接近嵌岩桩。

3结语

通过对SZ1、SZ2、SZ3试桩的受力性状分析可以得到以下结论。

1)在中风化泥质岩地区，当岩石单轴饱和抗压强度frk≤4MPa且嵌岩桩嵌岩深度较大时，荷载---位移曲线平滑，从测试结果来看，荷载---位移曲线并没有出现明显的陡降段；荷载达到加载最大值时，下部桩段桩侧摩阻力未达到极限值；基桩按摩擦桩计算是合适的。

2) 在极限荷载作用下，随着桩周岩石饱和单轴抗压强度增加，桩端阻力占总荷载的比例也在增加，说明围岩提供桩端阻力的重要性。

3) 当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≥4MPa时，来自桩端的阻力占比在25%以上，基桩按嵌岩桩计算更合理些。

4) 当桩端持力层单轴饱和抗压强度frk≤4MPa时，来自桩端的阻力占比较小，基桩按摩擦桩计算更合理些[6]。

参考文献

[1] JTG 3363—2019，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[2]闫静雅，张子新，黄宏伟，龚维明.大直径超长钻孔灌注桩荷载传递分析[J].同济大学学报(自然科学版)，2007，36(5)：592-596.

[3]吴鹏，龚维明，梁书亭.桩基承载性状分析的有限元-荷载传递联合法[J].桥梁建设，2006，(2)：11-13，17.

[4]赵明华.桥梁桩基计算与检测[M]北京：人民交通出版社，2000.

[5]龚维明，戴国亮.桩承载力自平衡测试技术及工程应用[M]北京:中国建筑工业出版社，2006.

[6]李孝平，持力层为中风化泥岩单桩竖向承载力计算探讨[J].城市道桥与防洪，2019，(8)：110-111.